Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Геодезия

.pdf
Скачиваний:
91
Добавлен:
17.05.2015
Размер:
3.42 Mб
Скачать

Пусть на рис. 8.1 изображена цепочка треугольников трилатерации, в которой известны координаты пункта А (хА , уА), дирекционный угол αАВ и измерены длины всех сторон. Для определения координат пунктов B, C,... F по формулам (8.1) углы треугольников, входящие в формулы (8.3), вычисляют

по измеренным сторонам с помощью теоремы косинусов:

AC2 = AB2 + BC2 – 2AB BCcos3 ,

BD2 = BC2 + CD2 – 2BC CDcos6 ,

. . .

DF2 = DE2 + EF2 – 2DE EFcos12 ,

откуда

3 = arccos

AB2

+ BC2

AC2

,

 

 

2 AB BC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. . .

 

 

 

(8.4)

12 = arccos

DE

2 + EF 2 DF 2

.

 

2DE EF

 

 

 

 

Полигонометрия – линейно-угловой ход, в котором измерены все стороны и все углы между смежными сторонами. Смысл полигонометрии – определение положения точек полярным способом. Основной прибор для построения полигонометрии – электронный тахеометр.

На рис. 8.2 показан полигонометрический ход, для которого известны ко-

ординаты пункта А (хА , уА), дирекционный угол αАВ , измерены все стороны и углы между смежными сторонами (правые или левые) . Для определения координат пунктов B, C, D, E сначала вычисляют дирекционные углы по формулам (8.3), а затем находят координаты по формулам (8.1).

Триангуляция и трилатерация требуют построения на местности треугольников выгодной геометрической формы, т.е. близких к равносторонним, при этом должна обеспечиваться видимость на все смежные пункты. Это приводит к необходимости располагать пункты ГОС на возвышениях, а в закрытой местности строить высокие сигналы.

Основное достоинство метода триангуляции состоит в надежном контроле качества всех измерений и высокой жесткости создаваемой сети: в каждом

81

треугольнике выполняется избыточное измерение, приводящее к появлению условного уравнения.

В треугольнике трилатерации нет избыточных измерений, поэтому для надежного контроля приходится вводить дополнительные связи - диагонали.

Метод полигонометрии более гибкий, он требует видимости только по двум смежным направлениям и позволяет располагать пункты ГОС в местах, наиболее благоприятных для их последующего использования.

Триангуляция была главным методом создания ГОС всех классов и разрядов до появления электронных дальномеров. Внедрение в практику светодальномеров сделало основным метод полигонометрии, особенно при создании местных сетей сгущения и съемочных сетей.

Метод трилатерации применяется редко, в основном при создании опорных сетей специального назначения.

Во всех традиционных методах обязательна взаимная видимость между смежными пунктами.

На современном этапе основным для построения ГОС становится спутниковый метод. Он не требует обязательной взаимной видимости между пунктами.

8.3. Государственная плановая геодезическая сеть

Государственная геодезическая сеть является носителем государственной геодезической системы координат.

Государственная геодезическая сеть (ГГС) – совокупность геодезических пунктов, расположенных равномерно по территории и закрепленных на местности специальными центрами, обеспечивающими их сохранность и устойчивость в плане и по высоте в течение длительного времени.

ГГС предназначена для решения следующих основных задач, имеющих хозяйственное, научное и оборонное значение:

установление и распространение государственной системы координат на всей территории страны и поддержание ее на уровне современных и пер-

спективных требований;

геодезическое обеспечение картографирования территории страны;

геодезическое обеспечение изучения земельных ресурсов;

обеспечение решения задач геодинамики, навигации, метрологии.

Созданная к современному периоду ГГС включает в себя:

космическую геодезическую сеть (КГС) из 26-ти пунктов при средних расстояниях между ними 1000…1500 км. Пункты этой сети определены по наблюдениям ИСЗ отечественной системы ГЕОИК. КГС задает общеземную геоцентрическую систему координат;

доплеровскую геодезическую сеть (ДГС) из 110 пунктов при средних расстояниях между ними 500…700 км. Пункты этой сети определены

82

по наблюдениям ИСЗ системы ТРАНЗИТ (США). ДГС распространяет общеземную систему координат;

астрономо-геодезическую сеть 1 и 2 класса (АГС) из 164 000 пунктов при средних расстояниях между ними 12 км. АГС задает на территории страны геодезическую референцную систему координат и распространяет общеземную систему координат;

геодезические сети 3 и 4 классов из 170 000 пунктов при средних рас-

стояниях между пунктами 3 класса 6 км, 4 класса – 3 км. Сети 3 и 4 классов создаются для обеспечения доступности и точности передачи координат потребителям.

ГГС – главная плановая основа топографических съемок всего мас-

штабного ряда.

в двух системах координат

Положение пунктов ГГС определяется

общеземной и референцной. Пункты ГГС в этих двух системах задаются:

пространственными прямоугольными координатами

X , Y , Z ;

геодезическими эллипсоидальными координатами B ,

L ;

прямоугольными координатами x , y

в проекции Гаусса эллипсоида

на плоскость, вычисленными по шестиградусным зонам.

Отметки всех пунктов ГГС определяют из геометрического или тригонометрического нивелирования.

Точность взаимного положения пунктов ГГС в системе координат СК– 95 составляет 2–4 см при расстояниях 10–15 км, 10–20 см при расстояниях 100–200 км и 0,5–0,8 м при расстояниях порядка 1000 км.

Площадь территории России составляет 17,1 млн. кв. км. Общее количество пунктов ГГС 1, 2, 3 и 4 классов – 445 тысяч, средняя плотность – один пункт на 38 кв. км. Для поддержания ГГС на современном уровне выполняется периодическое обследование и восстановление пунктов и знаков.

Об истории создания ГГС, её схеме и программе, типах центров пунктов

изнаков можно прочитать в любом учебнике геодезии.

8.4.Государственная нивелирная сеть

Наряду с ГГС создана государственная нивелирная сеть (ГНС). Нормальные высоты пунктов ГНС определяются в Балтийской системе, исходным началом которой является нуль Кронштадтского футштока.

Метод создания ГНС – геометрическое нивелирование. Созданная к современному периоду ГНС включает в себя:

высокоточную сеть нивелирования I и II классов, состоящую из 110 полигонов I класса общей протяженностью 115 000 км и 850 полигонов II класса общей протяженностью 340 000 км. Любая точка территории страны удалена от линий I и II классов не более чем на 75 км. Нивелирная сеть I и II классов распространяет по всей охваченной ею территории единую Балтий-

83

скую систему высот. По результатам нивелирования I и II классов определены разности уровней морей;

нивелирные сети III и IV классов, проложенные внутри полигонов сети высших классов и служащие для обеспечения съемок всех масштабов и инженерных изысканий.

Нивелирные сети закрепляют на местности постоянными знаками: фундаментальными реперами и рядовыми знаками, к которым относятся грунтовые реперы, стенные марки и реперы. Фундаментальные реперы устанавливаются через 50...80 км на линиях I и II классов. Рядовые реперы и марки устанавливают на линиях нивелирования всех классов через 5...7 км. Каждому нивелирному знаку присваивают номер. На территории России общее количество нивелирных знаков, закрепляющих ГНС, более 512 000, средняя плотность – один нивелирный знак на 34 кв. км.

Линии государственного нивелирования проложены вдоль всех железных дорог России.

Как и о ГГС, о ГНС и методике точного нивелирования можно прочитать

влюбом учебнике.

8.5.Геодезические сети сгущения

Геодезические сети сгущения создаются различными организациями для дальнейшего сгущения до необходимой плотности геодезической основы при крупномасштабных съемках и выполнении инженерно-геодезических работ. Нормативы плотности определяются соответствующими инструкциями.

Плановые сети сгущения 1 и 2 разрядов создают преимущественно мето-

дом полигонометрии в виде самостоятельных сетей или как дальнейшее сгущение ГГС. В последнем случае линии полигонометрии прокладывают между пунктами ГГС отдельными ходами или системами с узловыми точками. Измерения в сетях сгущения 1 и 2 разрядов выполняют электронными тахеометрами, точными теодолитами, топографическими светодальномерами. Пункты плановых сетей сгущения закрепляются постоянными центрами упрощенной конструкции, типы которых указываются в инструкциях по производству работ. На незастроенных территориях над центром или рядом с ним устанавливают опознавательный знак в виде металлической пирамидки или бетонного столба с надписью: «Геодезический пункт. Охраняется государством». Отметки всех пунктов плановых сетей сгущения должны быть определены из геометрического нивелирования.

Высотные сети сгущения создают методом геометрического нивелирования технической точности – техническим нивелированием. Знаки линий технического нивелирования могут быть совмещены с центрами пунктов плановых сетей или представлять собой рядовые реперы грунтового или стенного типа.

Линии технического нивелирования прокладывают между двумя исходными реперами отдельными ходами или системами с узловыми точками.

84

Длины ходов технического нивелирования определяются в зависимости от высоты сечения рельефа. Для производства технического нивелирования используют нивелиры типа Н-3, Н-5, Н-10 уровенные или с компенсатором в комплекте с шашечными рейками.

Нивелирование выполняют в одном направлении. Допустимая длина визирного луча 200 м. Невязки ходов и полигонов не должны превышать

fh = 50 L , мм,

где L – длина хода (полигона) в километрах.

В процессе технического нивелирования попутно нивелируют отдельные характерные точки местности, включая их в ход в качестве промежуточных.

Методику технического нивелирования студенты детально изучают при выполнении лабораторных работ и на учебной практике.

8.6. Построение геодезических опорных сетей с использованием спутниковых измерений, спутниковое нивелирование

В гл. 6 показано, что использование в геодезических целях спутниковых навигационных систем позволяет по-новому подходить к вопросам построения геодезических опорных сетей. Спутниковыми методами можно строить любые опорные сети: государственные, сети сгущения, съемочные – и производить саму съемку.

Спутниковые методы по сравнению с традиционными обладают рядом преимуществ. Это возможность оперативной и точной передачи координат на любые расстояния; необязательная взаимная видимость между пунктами, что позволяет располагать пункты в местах, наиболее благоприятных для их сохранности и последующего использования, без сооружения геодезических знаков; снижение требований к плотности геодезической основы, позволяющее в десятки раз сократить число опорных пунктов; простота организации работ, особенно в труднодоступных и климатически сложных районах; высокий уровень автоматизации, отсутствие технической зависимости от времени суток, года, погодных условий; большие возможности для объединения плановой и высотной геодезической основы на базе использования единой технологии.

Спутниковая технология успешно используется при объединении существующих местных условных систем координат, при создании метрологической основы геоинформационных систем, при построении каркаса высокоточных специальных сетей с погрешностями взаимного положения пунктов 1–2 см на расстояниях 3–5 км.

Однако использование американской системы GPS, работающей во всемирной системе координат WGS–84, требует знания координат пунктов российских ГОС в системе WGS–84. До решения проблемы установления связи между российской референцной системой и системой WGS–84 можно пользоваться способом, показанным в п. 6.5, или вычислять координаты пунктов в местной системе по измеренным приращениям координат.

85

При использовании спутниковой технологии определяются широта, долгота и геодезическая высота, т.е. высота над поверхностью отсчетного эллипсоида. Определение геодезических высот точек по результатам спутниковых измерений называется спутниковым нивелированием. Нормальная высота точки равна разности геодезической высоты и высоты квазигеоида над отсчётным эллипсоидом. Для использования спутникового нивелирования необходима точная карта высот квазигеоида. Для построения такой карты на территории страны наряду с ГГС и ГНС создана государственная гравиметрическая сеть. Спутниковые измерения, данные высокоточного нивелирования и гравиметрические высоты квазигеоида дают возможность создания и распростране-

ния более точной единой системы высот.

8.7. Геодезические опорные сети специального назначения

Наряду с государственной геодезической сетью для решения некоторых ведомственных задач могут создаваться геодезические опорные сети специального назначения. Обычно это сети повышенной точности и специальной формы. Примером может служить создаваемая с 1998 г. для МПС реперная система контроля положения пути в профиле и в плане. Эта сеть создается на лини-

ях со скоростным движением первоначально на участках капитального и усиленного среднего ремонта.

Назначение реперной системы – контроль геометрических параметров железнодорожного пути, контактной сети, искусственных и других сооружений при их проектировании, строительстве, реконструкции, ремонтах и эксплуатации. Реперная система при работе выправочных машин должна обеспечить постановку пути в проектное положение, снизить затраты на эксплуатацию пути, добиться плавности хода подвижного состава при высоких скоростях, предотвратить преждевременное расстройство колеи.

Реперная система железнодорожной линии подразделяется на опорную геодезическую сеть (ОГС) и рабочую сеть (РС).

ОГС состоит из главных и промежуточных пунктов. Главные пункты располагаются попарно через 500...1000 м с расстоянием между парами 5...10 км, промежуточные через 250...500 м. Пункты располагаются в полосе отвода железной дороги и закрепляются грунтовыми центрами по типу центров пунктов государственной геодезической сети. Исходными для построения ОГС должны служить пункты государственной геодезической сети 1 и 2 классов и реперы государственной нивелирной сети I и II классов.

Реперы рабочей сети закладываются через 100...140 м на прямых и через 50...70 м на кривых непосредственно в земляном полотне дороги, массивных металлических и бетонных конструкциях, а также в опорах контактной сети (ОКС). Таким образом, на кривых участках пути рабочие реперы будут расположены на каждой ОКС, на прямых – через одну ОКС. Рабочие реперы закладываются так, чтобы обеспечивалась возможность измерений до головки рельса с помощью простейших инструментов (рейки, рулетки, шаблона), возможность

86

установки на репере датчиков для автоматического считывания характеристик геометрии пути, возможность наблюдений за состоянием и деформациями земляного полотна и других сооружений транспорта.

Средние квадратические погрешности взаимного положения соседних пунктов реперной системы не должны превышать:

– для рядовых пунктов ОГС

8 мм в плане и 5 мм по высоте,

– для рабочих реперов

5 мм в плане и 3 мм по высоте.

Для обеспечения этих нормативов потребуется выполнять массовые высокоточные геодезические измерения с помощью спутниковых систем, электронных тахеометров, точных нивелиров.

Необходимость создания реперных систем железных дорог в условиях России крайне сомнительна: она не обоснована никакими серьёзными научными исследованиями.

9.ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ СЪЕМКИ МЕСТНОСТИ

9.1.Виды съемок, выбор масштаба и высоты сечения рельефа

Вп. 2.2 было дано общее определение геодезических съемок как комплекса работ для получения карт, планов, профилей и иной топографической информации о местности.

По виду получаемой продукции геодезические съемки обычно делят на

горизонтальные, вертикальные и топографические.

При строительстве и содержании железных дорог выполняют все виды геодезических съемок, но наиболее часто – вертикальную съемку (нивелирование) с получением профиля железнодорожного пути.

Результат горизонтальной съемки – контурный план местности, на котором не показывают рельеф.

Результат топографической съемки – топографический план местности, на котором показаны контуры (ситуация) и рельеф в горизонталях с заданной высотой сечения.

Масштаб горизонтальной и топографической съемки и высота сечения рельефа зависят от типа местности, вида и назначения плана (карты) и устанавливаются действующими инструкциями и СНиП /7, 8, 9/. От стадии составления технического задания до стадии строительства и эксплуатации сооружения масштаб съемки укрупняется, а высота сечения уменьшается.

Для проектирования железных дорог на стадии технического проекта используют планы масштаба 1:5000, для разработки генеральных схем реконструкции железнодорожных узлов – планы масштаба 1:2000, для проектирования переустройства существующих и составления рабочих чертежей новых железнодорожных станций и узлов – планы масштаба 1:1000, для проектирования переустройства сложных горловин станций и составления рабочих чертежей порталов тоннелей – планы масштаба 1:500.

87

Чем сложнее и плотнее застройка территории, тем крупнее должен быть масштаб съемки. Точность геодезических измерений должна соответствовать точности масштаба съемки. Она также регламентируется действующими инструкциями, руководствами, наставлениями.

Высота сечения рельефа на планах зависит от крутизны скатов местности, масштаба съемки. Так, для планов масштабов 1:500 и 1:1000 используется, в основном, сечение рельефа через 0,5 м; для планов масштабов 1:2000 и 1:5000 – 1 и 2 м. Чем меньше высота сечения, тем подробнее изображается рельеф местности. Средние квадратические погрешности съемки рельефа относительно ближайших точек геодезических сетей не должны превышать 1/3 – 1/2 высоты сечения рельефа. Результаты съемок всех видов могут быть представлены в графическом виде или в виде цифровой модели местности.

Для показа на контурных и топографических планах элементов местности используют действующие условные знаки / 12/.

Для решения отдельных отраслевых задач в дополнение к основным создают специализированные топографические планы, на которых различные элементы местности показывают с разной подробностью и точностью. Технические требования к таким планам излагаются в ведомственных инструкциях и руководствах /10/, которые обязательно согласуются с Федеральной службой геодезии и картографии России. Для изображения специфической для данной отрасли нагрузки используют специальные условные знаки /13/.

На топографических планах изображаются:

пункты геодезических сетей;

здания и постройки;

промышленные объекты;

железные, шоссейные и грунтовые дороги всех видов и сооружения при них;

гидрография;

объекты гидротехнического и водного транспорта;

рельеф местности с применением горизонталей, отметок точек и специальных условных знаков для показа крутых склонов;

растительность;

грунты и микроформы земной поверхности;

границы и ограждения.

9.2.Горизонтальная съемка

Горизонтальной съёмкой называется комплекс геодезических работ, выполняемых для получения контурного (ситуационного) плана местности. Такая съемка выполняется, например, для составления плана железнодорожной станции. Съёмку выполняют с пунктов планового съёмочного обоснования – съёмочных сетей. Выше указывалось, что масштаб съемки зависит от назначения составляемого плана. Например, план железнодорожной станции (называемый в

88

ПТЭ масштабным планом) создается в масштабе 1:1000, а на сложные горловины или в стесненных условиях – в масштабе 1:500.

9.2.1. Плановая съёмочная сеть, теодолитные ходы

Съёмочная сеть создаётся с целью сгущения геодезической основы до плотности, обеспечивающей выполнение съёмки (10 и более пунктов на кв. км). При изысканиях, строительстве и содержании железных дорог съёмочную сеть обычно создают в виде системы теодолитных ходов. Основными приборами для этой цели служат электронные тахеометры, теодолиты, светодальномеры.

Теодолитные ходы прокладывают между пунктами государственной геодезической сети и сетей сгущения 1 и 2 разрядов в виде отдельных ходов и систем с узловыми точками (рис. 9.1). Для небольших участков, какими являются железнодорожные станции, съемочная сеть может создаваться как самостоятельная основа, без привязки к пунктам опорных сетей. Длины сторон проектируют от 20 до 350 метров, а длины ходов от 0,3 до 6 км в зависимости от масштаба съёмки и допустимых относительных невязок. Висячие ходы (бесконтрольные) допускаются как исключение с тремя-четырьмя точками.

Рис. 9.1

Предельные погрешности положения пунктов съёмочной сети относительно пунктов государственной сети и сетей сгущения 1 и 2 разрядов не должны превышать 0,2 мм в масштабе плана при съёмке железнодорожных станций и 0,3 мм при съёмке полосы местности при изысканиях железных дорог. Не менее 20% пунктов съёмочных сетей закрепляются постоянными знаками. В качестве постоянных грунтовых знаков используют рельсовую рубку, металлические трубки длиной не менее 80 см, бетонируемые по всей длине или в нижней части. Остальные пункты съёмочных сетей закрепляют только на период съёмки трубками, костылями, кольями.

Углы в теодолитных ходах измеряют с точностью 30одним приёмом. Длины сторон теодолитных ходов измеряют с точностью 1:2000. Для приведе-

89

ния измеренных линий к горизонту одновременно с горизонтальными углами измеряют углы наклона.

9.2.2. Плановая привязка теодолитных ходов

Плановой привязкой называются геодезические работы, в результате которых определяют 1) координаты начального пункта и 2) дирекционный угол начальной стороны теодолитного хода. Назначение привязки – выполнение вычислений в единой системе координат и контроль измерений.

Схем привязки известно много, однако практически применяется только самая простая и надёжная – теодолитный ход начинают на пункте А с известными координатами (рис. 9.2), а дирекционный угол на начальную сторону А-1 передают от исходной стороны А-В. Для этого на исходном пункте А измеряют примычный угол β по правилу: от исходной до начальной стороны по часовой стрелке.

Рис. 9.2

Рис. 9.3

Дирекционный угол начальной стороны А-1 вычисляют по формуле

αА-1 = αА-В + β ,

где αА-В = arctg

yB yA

.

 

 

 

xB xA

Для контроля выполняют повторную привязку в конце хода (рис. 9.3).

9.2.3. Обработка материалов построения плановых съемочных сетей

После проверки полевых журналов вычисляют координаты пунктов съёмочных сетей, т.е. выполняют уравнивание. Уравнивание съёмочных сетей производят упрощенными способами (см. п. 3.4): сначала уравнивают измеренные углы, затем вычисляют дирекционные углы сторон хода, вычисляют и уравнивают приращения координат отдельно по осям X и Y. Детально с урав-

90